污水厂革新：前沿工艺全盘点

污水厂革新：前沿工艺全盘点

在城市地下纵横交错的管网尽头，污水每天源源不断地汇入污水处理厂。这里很少被公众注意，却承担着保障水环境安全、支撑城市运行的基础性任务。过去很长一段时间，污水厂的核心目标集中在排放达标。只要水质合格，系统稳定，任务就算完成。但随着“双碳”目标推进、《推进污水处理减污降碳协同增效的实施意见》等政策落地，行业的关注点正在发生变化。污水厂开始被重新定义为水资源再生、能源回收和物质循环的重要载体。

在这一背景下，一批以低碳、生物强化、膜分离、资源化和智能化为特征的新工艺，正在逐步走向工程一线。它们不追求单点参数的极致，而是强调系统效率、综合能耗和长期运行价值。本文结合近年来的工程实践，对当前较具代表性的五类前沿工艺进行系统梳理。

一、低碳脱氮工艺：生化处理逻辑的系统性重构

传统脱氮工艺高度依赖曝气供氧和外加碳源，运行能耗高，对进水水质变化敏感。在碳排放和运行成本双重约束下，这一路线逐渐显露瓶颈。

1. 厌氧氨氧化工艺（Anammox）

厌氧氨氧化通过特定功能菌群，将氨氮与亚硝态氮直接转化为氮气。反应过程几乎不需要持续曝气，也不依赖外加有机碳源。在稳定工况下，曝气能耗可降低约三成，外加碳源消耗显著下降。在工程应用中，该工艺通常与短程硝化耦合，形成CANON等单反应器工艺路线。其构筑物紧凑，污泥产量低，在高氨氮回流液和部分工业废水处理中已实现规模化应用。欧洲多个示范项目表明，该路线在碳减排和运行稳定性方面具备明显优势。

2. 反硝化除磷一体化工艺

该工艺利用反硝化聚磷菌在缺氧条件下同步完成脱氮和除磷，将原本分离的曝气和投碳需求整合为协同过程。在低碳源进水条件下，其优势更加突出。

工程实践显示，该工艺可有效降低曝气强度和外加碳源投加量，特别适合进水有机物偏低、对运行成本敏感的污水厂改造项目。

二、膜分离升级技术：从达标排放迈向高品质再生

随着再生水利用规模扩大，膜技术已成为连接污水处理与水资源再生的重要桥梁。

1. 超滤加反渗透双膜工艺

该工艺通过超滤去除悬浮物和胶体，再由反渗透深度截留溶解性盐类、有机物和微生物，产水水质可满足工业回用和部分市政杂用水要求。

在运行管理层面，越来越多项目引入基于历史运行数据的膜污染预测模型，通过跨膜压差、浊度和通量变化趋势，提前识别污染风险，减少非计划停机。该路线在缺水地区的工业园区和沿海城市中应用广泛。

2. 动态膜生物反应器（DMBR）

动态膜采用低成本载体替代传统高分子膜，通过运行过程中自然形成的生物膜实现固液分离。与常规MBR相比，其设备投资和运行能耗更低。

该技术对中小规模污水厂和老厂提标改造具有一定吸引力，尤其适合用地受限、对投资控制要求较高的项目。

?? 膜工艺示意图

三、高级氧化技术：破解难降解污染物

面对工业有机污染物、药物残留和微塑料等问题，传统生化和常规深度处理工艺存在明显短板，高级氧化技术逐步成为重要补充。

1. 纳米气泡臭氧氧化

纳米气泡显著延长臭氧在水体中的停留时间，提高传质效率，使臭氧利用率大幅提升。在部分工程中，臭氧有效利用率可提升至较高水平，COD和TOC去除速率明显改善。该工艺在制药、化工等行业废水处理中表现稳定，同时对微塑料和抗生素残留具有良好去除效果。

2. 光催化与电化学协同氧化

该技术通过光催化材料与电化学过程协同产生强氧化性自由基，对多种有机污染物具有广谱降解能力。

在部分工业废水处理中，该工艺还与资源回收结合，实现贵金属的富集与回收，提升整体经济性。

四、污泥资源化工艺：从处置负担到能源

污泥处理正从单纯减量转向能源和材料回收。

1. 污泥厌氧消化与沼气热电联产

通过厌氧消化产生沼气，并用于发电和供热，可显著降低污水厂外购能源比例。在大型污水厂中，该模式已实现较高比例的能源自给。

在武汉等地的工程实践中，沼气发电对厂区运行成本控制发挥了关键作用。

 

?? 污泥厌氧消化示意图

2. 污泥热解与生物炭利用

热解技术在无氧条件下将污泥转化为生物炭和合成气。生物炭可用于土壤改良或碳封存，合成气可进一步用于能源回收。在欧洲部分示范项目中，污泥基本实现资源化利用，为低碳污水厂建设提供了重要路径。

五、智能协同工艺：数字技术重塑运行模式

数字化正从辅助工具转变为运行决策的重要组成部分。

1.数字孪生与智能调控系统

通过在线仪表、机理模型和算法模型融合，构建与实体污水厂同步运行的数字孪生系统，实现工艺参数的动态优化。在宁波部分水厂应用中，智能调控在降低能耗、减少人工干预和提升运行稳定性方面取得了较为明确的效果。

?? 数字孪生示意图

2.光伏与污水源热能协同利用

通过厂区屋顶光伏发电和污水源热泵回收低品位热能，可进一步降低综合能耗，提升能源系统韧性。

3.机器狗技术

在水务行业中，机器狗被引入到一些复杂或危险的工作环境中，例如污水处理厂的巡检、管网检测以及污泥处理过程中。通过搭载高清摄像头、传感器和AI分析系统，机器狗可以自主完成设备检查、环境监测、数据采集等任务，减少了人工操作的风险和成本。同时，机器狗在狭小空间和不适合人类进入的区域也能自由活动，为污水厂的设施管理和维护提供了更多创新的解决方案。

 

?? 机器狗在污水处理厂智能巡检

当下，污水处理正经历一场深层次转型。低碳生化、先进分离、污泥能源化与数字化运行的协同应用，使污水厂逐步具备减污、降碳和创效的多重属性。未来，随着绿色低碳标杆厂建设持续推进，工艺创新将更加聚焦系统融合和区域协同。污水厂在城市水循环与能源体系中的价值，也将被重新认识和持续放大。